반도체의 작동 원리
반도체는 금속(예: 구리, 금 등)과 절연체(예: 유리) 사이의 전기 전도성을 가진 무기 또는 유기 재료입니다. 이들의 전기 전도성은 화학 구조, 온도, 조명 및 도핑 물질의 존재에 따라 조절될 수 있습니다. 반도체라는 이름은 이 재료들이 4eV 미만(약 1eV)의 에너지 갭을 가지고 있기 때문에 붙여졌습니다. 고체 물리학에서 이 에너지 갭 또는 밴드 갭은 전자 상태가 금지된 발렌스 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 범위를 의미합니다.
반도체의 전기 전도성
반도체 재료 내의 전자가 전도 밴드로 흥분되어 전기 전류를 운반하고 이동할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다:
열 에너지: 온도가 높아지면 발렌스 밴드의 일부 전자가 충분한 열 에너지를 얻어 전도 밴드로 이동할 수 있습니다. 이를 열 흥분이라 하며, 온도가 상승함에 따라 전기 전도성이 증가하는 일반적인 방식입니다.
전자기 방사선: 빛 또는 기타 방사선 형태의 전자기 방사선도 전도 밴드로 전자를 흥분시킬 수 있습니다. 반도체의 밴드갭 에너지와 같거나 그보다 큰 에너지의 광자가 재료에 흡수될 때, 전자는 전도 밴드로 흥분되어 전자-홀 쌍을 생성합니다.
도핑: 반도체 재료가 불순물로 도핑될 때, 재료 내에 추가 전자 또는 홀을 생성하여 전기 전도성에 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 인 같은 공여자 원자로 도핑된 n형 반도체는 재료 내에 추가 전자를 생성하여 전도 밴드로 이동하고 전기 전도성에 기여할 수 있습니다.
전기장: 외부 전기장도 전도 밴드로 전자를 흥분시킬 수 있습니다. 반도체 재료에 전압이 걸리면 전자와 홀이 반대 방향으로 가속되어 일부 전자가 전도 밴드로 이동합니다.
p-n 접합
반도체가 불순물로 도핑될 때, 재료 내에 추가 전자(n형 도핑) 또는 홀(p형 도핑)이 생성되어 전기 전하를 운반할 수 있습니다. 이러한 추가 전자 또는 홀은 재료 내에서 이동할 수 있어 전기 전류의 흐름을 가능하게 합니다. 두 가지 다른 도핑 영역이 함께 결합될 때, p-n 접합이 형성됩니다. p-n 접합에서, n형 영역의 추가 전자와 p형 영역의 홀이 접합을 통해 확산되어 결합하고, 이로 인해 전하 운반체가 고갈된 영역인 고갈 영역이 생성됩니다.
반도체 소재
다음은 3가지 기본 반도체와 2가지 p형 및 n형 반도체, 그리고 4가지 주요 특성을 나타내는 표입니다:
실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨 비소(GaAs) 등이 기본 반도체에 해당하며,
보론으로 도핑된 실리콘(p-Si)과 인으로 도핑된 실리콘(n-Si), 알루미늄으로 도핑된 갈륨 비소(p-GaAs), 실리콘으로 도핑된 갈륨 비소(n-GaAs)가 p형 및 n형 반도체 예시입니다.
이 표는 반도체의 밴드 갭, 전자 이동도, 홀 이동도 및 열 전도도와 같은 중요한 특성을 제공합니다.
